Czy można bezpiecznie składować CO2 pod ziemią?

Czy można bezpiecznie
składować CO2
pod ziemią?
Jakie są główne możliwości składowania
dwutlenku węgla?
Jakie ryzyko powiązane jest z geologicznym
składowaniem CO2?
Jak bezpieczne jest podziemne
składowanie CO2?
Jakie są geologiczne kryteria dla
bezpiecznego miejsca składowania?
Jakie są potencjalne, negatywne skutki
podziemnego składowania CO2?
Jak minimalizować zagrożenia – monitoring!
Sposoby prowadzenia monitoringu
STOSOWANIE CCS
Technologie wychwytywania i składowania
CO2 (CCS) stanowią rozwiązanie problemu
redukcji emisji gazów cieplarnianych ze źródeł
przemysłowych, poprzez składowanie dwutlenku węgla w głębokich formacjach geologicznych.
JAKIE SĄ GŁÓWNE MOŻLIWOŚCI
SKŁADOWANIA DWUTLENKU
WĘGLA
Sczerpane złoża gazu są rozpatrywane
jako bardzo obiecująca opcja dla składowania
CO2, ponieważ z natury dowodzą możliwości
bezpiecznego magazynowania gazów przez
miliony lat. Co więcej, geologia eksploatowanych złóż gazu jest znana bardzo dobrze i
występuje możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury. Inną korzyścią i ekonomiczną zachętą jest możliwość poprawy
wydobycia gazu (EGR) z pól bliskich wyczerpania poprzez wtłoczenie CO2.
Sczerpane złoża ropy są kolejną dostępną opcją składowania (z podobnych do powyższych przyczyn). Tym niemniej ich potencjał składowania CO2 na terenie Europy jest
minimalny w kontekście potrzeb ilościowych.
Ze względu na duży zasięg obszarowy,
głębokie poziomy solankowe mają największy potencjał dla składowania CO2. Natomiast
ze względu na głębokości i poziom zasolenia,
nie mogą stanowić one źródła wody pitnej.
RYZYKO POWIĄZANE
Z GEOLOGICZNYM
SKŁADOWANIEM CO2
Potencjalne ryzyko związane ze składowaniem CO2 obejmuje:
 Wycieki CO2 i/lub CH4 ze zbiorników do
atmosfery.
 Mikro-sejsmikę – powstałą na skutek
zmian ciśnienia zachodzących w zbiornikach - powodującą nieznaczne wstrząsy.
 Przesunięcia gruntu, obsuwanie się gleby
lub wypiętrzenia na skutek zmian ciśnienia
zachodzących w zbiornikach.
 Wypieranie solanek z otwartych zbiorników do innych formacji, również tych, które
mogą zawierać wodę pitną.
JAK BEZPIECZNE JEST
PODZIEMNE SKŁADOWANIE CO2
Można stwierdzić, że składowanie CO2
w głębokich pokładach ma tylko małe, „wykonalne” ryzyko. Bezpieczne składowanie wiąże
ze sobą dwie fazy: fazę operacyjną podczas
zatłaczania i (monitoring) długookresowego
bezpieczeństwa po zamknięciu miejsca
składowania.
Podczas fazy operacyjnej, najbardziej
istotnym czynnikiem jest bezpieczeństwo
technologiczne związane jak wiadomo z „najlepszymi praktykami” wynikającymi z procedur
rozwijanych od dekad w produkcji ropy i gazu,
a także działań podejmowanych w miejscach
składowania gazu. W porównaniu do naturalnego gazu (metanu), CO2 jest daleko mniej
niebezpieczne (nie jest wybuchowe/zapalne).
Z drugiej strony, długookresowe bezpieczeństwo jest regulowane przez warunki
geologiczne miejsca składowania i jego są-
siedztwo. By zapewnić pożądany wpływ na
klimat i zatrzymać składowane CO2 z daleka
od biosfery, musi ono pozostać pod ziemią
przez co najmniej 10 tysięcy lat. Na podstawie
analizy naturalnych złóż gazu, wiadomo, że
niektóre geologiczne warstwy są zdolne do
zatrzymania gazu w określonym miejscu
przez miliony lat. To znajduje właśnie zastosowanie w geologicznym składowaniu CO2.
Jest jasne, że projekty składowania CO2
mogą być zaaprobowane, jeżeli zbiorniki są
bezpiecznie pokryte przez szczelne formacje
skalne. Podstawą jest zatem staranna selekcja miejsc składowania z dobrymi geologicznymi barierami. Kolejnym bardzo ważnym
czynnikiem bezpieczeństwa jest szczelność
otworów – warunek braku ucieczki CO2.
Każde miejsce składowania musi być monitorowane w trakcie i po fazie operacyjnej.
Monitoring musi obejmować powierzchnię,
wody gruntowe i głębokie badania geofizyczne.
Trzy projekty składowania na skalę przemysłową – w których zatłacza się ponad 2
miliony ton CO2 rocznie do głębokich poziomów solankowych – działają od wielu lat,
równolegle z innymi mniejszymi projektami
wychwytywania i składowania CO2.
Te doświadczenia na skalę przemysłową
są uzupełniane przez cały szereg projektów
badawczych CCS prowadzonych w partnerstwie międzynarodowym i z udziałem przemysłu, programów badawczych i sieci współpracy. W żadnym z tego typu projektów nie
udokumentowano występowania efektów
geologicznego składowania CO2 zagrażających bezpieczeństwu, zdrowiu i środowisku.
SKĄD WIEMY ŻE TO DZIAŁA?
Mamy dekady doświadczeń działań operacyjnych z projektów, które są bardzo zbliżone
do CCS, włączając w to podziemne zatłaczanie CO2 dla wspomagania wydobycia ropy
(EOR). W projektach tych wykorzystano
również szereg technologii analogicznych do
tych stosowanych w ramach CCS np. w celu
składowania gazu naturalnego.
Przemysł roponośny i gazu naturalnego,
ma ponad 40 lat doświadczeń we zatłaczaniu
CO2 do „zbiorników” geologicznych w celu
wspomagania wydobycia ropy. Ten proces
jest rodzajem EOR i wykorzystuje właściwości
CO2 w połączeniu z ropą dla poprawy efektywności jej wydobycia ze złóż. W większości
operacji, CO2 jest odzyskiwane i będzie ponownie zatłaczane, aż do zakończenia eksploatacji pól naftowych. W szeregu miejscach
prowadzono bezpieczne zatłaczanie wielu
milionów ton CO2 do złóż na dekady. Sukces
tych projektów i wzrastająca liczba badań
demonstracyjnych wzmacnia pewność w
potencjał składowania znacznych wielkości
CO2 pod ziemią – bezpiecznie, pewnie i na
długi czas.
JAKIE SĄ GEOLOGICZNE
KRYTERIA DLA MIEJSC
BEZPIECZNEGO SKŁADOWANIA
CO2?
Geologiczne kryteria dla miejsc bezpiecznego składowania są podobne do tych jakie
odnoszą się do naturalnych zbiorników ropy i
gazu. Dla „zbiornika” składowania, wymagana
jest dobra porowatość i spełnienie kryteriów
odnośnie przepuszczalności, dla utrzymania
wymaganych przepływów CO2. Zbiornik wymaga jednej lub kilku warstw skał nadległych,
które są nieprzepuszczalne dla gazów i roztworów. Zamknięta struktura ma wtedy niezbędne zalety pozwalające na prostą kalkulację pojemności i bezpieczne przewidywanie
rozpływu CO2. Rozwiązaniem idealnym jest
sytuacja, gdy nadległa warstwa nie jest przecinana żadnymi uskokami, a jeśli takie występują, to muszą mieć dowiedzioną szczelność.
Model 3D warstw geologicznych na głębokości
około 3500 metrów, składających się w zamkniętą
strukturę. Fioletowe warstwy – skały zbiornikowe
(piaskowiec), różowe warstwy – skały nieprzepuszczalne (iłowce/łupki). Źródło: BGR
JAKI WPŁYW MA PODZIEMNE
SKŁADOWANIE CO2 NA WODY
PODZIEMNE I SKAŁY
Słodka woda podziemna, wykorzystywana
jako woda pitna, zupełnie nie jest narażona na
jakikolwiek wpływ ze strony geologicznego
składowania CO2. Dwutlenek węgla będzie
zatłaczany znacznie głębiej, a roztwory solne
wody powstrzymywane będą przez warstwy
skał. Zbiorniki w głębokich poziomach solankowych są odseparowane od zbiorników wody
słodkiej leżących powyżej przez kilka nieprzepuszczalnych, masywnych warstw skał, które
będą zatrzymywać zarówno roztwory solne,
jak i CO2.
Czyste CO2 jest lżejsze od wody i utrzymuje się w górnej części zbiornika, wypierając
roztwór ku dnie. Powoli CO2 rozpuszcza się w
roztworze, podnosząc poziom jego pH. Dwutlenek węgla, co niezmiernie korzystne, idealnie wchodzi w reakcję z jonami wapnia i wiąże
się. Niestety z drugiej strony, kwas węglowy
jest korozyjny i może uszkadzać cement
otworów wiertniczych, szczególnie jeśli są one
stare i wadliwie wypełnione. Wymaga to
dodatkowych nakładów na zapewnienie
szczelności otworów, co musi być zapewnione w okresie istnienia składowiska.
Prowadzona jest znaczna liczba projektów
badawczych dotyczących interakcji pomiędzy
CO2, formacjami wodonośnymi i skałami. Ich
rezultaty są wykorzystywane w praktycznych
testach technologii CCS.
WYCIEKI CO2 I CH4
W zależności od grubości i układu formacji
skalnych, a także mechanizmów uwięzienia,
wycieki CO2 mogą nastąpić na skutek:
 Niezdolności skał nadkładu do zapobieżenia migracji do góry, z powodu:
 Zbyt wysokiej przepuszczalności (możliwość przenikania CO2).
 Rozpuszczania skał nadkładu uszczelniającego przez reakcję z CO2.
O d le g łe
P o le B

P o le A
Z a tła c za n ie
D n o m o rs k ie
C O 2 S c e n a riu s z e w yc ie k ó w


N a g ro m a d ze n ie
W yc ie k
P łytk a fo rm a c ja
b ę d ą c a p o d c iś n ie n ie m
KRYTERIA OPISU I OCENY
SKŁADOWISK (ZAŁĄCZNIK I,
DYREKTYWA CCS)
R o zp ro s ze n ie
U c ie c zk a d o
p o w ie rzc h n i
p rze z ś c ie żk ę
w zd łu ż zb io rn ik a
Z a m k n ię ty s zyb
O p u s zc zo n y s zyb
C iś n ie n ie
p o w o d u ją c e
p ę k n ię c ie
R o zp ro s ze n ie
& p rze p ływ
M in e ra liza c ja
W o ln y
g a z P, T
GSGI
R o zp ro s ze n ie
P u ła p k a d o b ra
d la ro p y a le n ie
d la g a zu
Łupki
P rze p ływ
R o zp ro s zo n y
m ix
Łupki
Źródło: CO2Net


 Uszkodzenia nadkładu uszczelniającego (spękania lub uskoki na skutek zbyt
dużego ciśnienia w zbiorniku).
Wyciek/ucieczka poprzez (stare) otwory
(szyby) na skutek:
 Niewłaściwego zabezpieczenia zamknięcia otworu.
 Przypadkowego uszkodzenia cementu
i/lub metalu.
Rozpuszczania CO2 w migrujących wodach podziemnych.
CO DZIEJE SIĘ JEŚLI CO2
WYCIEKNIE Z MIEJSCA
SKŁADOWANIA?
Jeśli gaz CO2 – pomimo wszelkich środków bezpieczeństwa – wycieka z miejsca
składowania i dociera do powierzchni, jest
relatywnie mało szkodliwy w porównaniu do
innych gazów, np. metanu. Nie jest również
zapalny, czy wybuchowy. Trujący jest jedynie
przy wysokim stężeniu, które nie utrzymuje
się w powietrzu na otwartej przestrzeni. Jak
inne gazy, może powodować problemy dla
ludzkiego zdrowia w wysokiej koncentracji.
Jednakże, co wiemy z naturalnych ekshalacji
CO2 w regionie Eifel (Niemcy), wydobywające
się CO2 miesza się szybko z powietrzem i
szybko rozcieńcza do poziomu koncentracji
pozwalającej na swobodne oddychanie.
LOKALNE I GLOBALNE EFEKTY
WYCIEKU CO2



Lokalne: Efekty zdrowotne przy podniesionej koncentracji CO2 (akumulacja CO2 może wystąpić tylko na terenach zamkniętych
(ograniczonych).
Lokalne: Zmniejszenie poziomu pH gleby
i wody, związane z:
 rozpuszczaniem węglanów,
 wzrostem ciężaru właściwego wody,
 uwolnieniem śladowych pierwiastków
metalicznych.
Globalne: Wyciek zmniejsza opcje redukcji
CO2, efekty zależą od stabilizacji koncentracji gazów cieplarnianych.
 cele stabilizacyjne.
 zakres i czas składowania CO2 (modele symulacyjne).
Podczas zatłaczania CO2 do zbiorników
geologicznych, jednym z kluczowych czynników jest kontrola ciśnienia. Proces zatłaczania musi podlegać stałemu monitorowaniu i
kontroli, tak by pokłady skał uszczelniających
nie uległy spękaniu.
Opisu i oceny składowisk będzie dokonywać się w czterech etapach, zgodnie z określonymi kryteriami. Zezwala się na odstępstwa od jednego lub więcej wskazanych
kryteriów, jeśli tylko nie wpływają one na
zdolność do opisu i oceny zapewniającej
potwierdzenia zgodnie z art. 4.
Etap 1: Zebranie danych.
Etap 2: Komputerowa symulacja kompleksu
składowania CO2.
Etap 3: Opis bezpieczeństwa, wrażliwości
i zagrożeń.
Etap 4: Ocena ryzyka.
Ocena ryzyka powinna uwzględniać szereg scenariuszy opracowanych w ramach
opisu zagrożeń w czasie etapu 3 i powinna
obejmować, co następuje:
- ocenę narażenia,
- ocenę skutków,
- opis ryzyka.
W JAKI SPOSÓB MOŻNA
MONITOROWAC MIEJSCE
SKŁADOWANIA CO2?
Monitorowanie miejsc składowania CO2
zawiera dwie fazy: fazę operacyjną podczas
zatłaczania oraz fazę (monitorowania) bezpieczeństwa długookresowego po zamknięciu
składowiska.
Podczas fazy operacyjnej, regularny monitoring powinien rejestrować ciśnienie CO2
podczas zatłaczania oraz jego dalsze zmiany.
Jest to konieczne by osiągnąć pewność, że
ciśnienie w zbiorniku nie wzrośnie ponad
tolerowane limity i że CO2 nie ucieknie z
PRZYKŁADY TECHNIK MONITOROWANIA
Grupa
monitorowania
Inżynieryjna
Geofizyczna
Geochemiczna
Geodetyczna
Biologiczna
Gejzer zimnej wody w Andernach
– naturalny wysięk CO2.
Źródło: BGR
W celu śledzenia dróg rozpływu składowanego CO2 (modele symulacyjne).
W celu potwierdzenia niezawodności
mechanizmów wiążących (zatrzymujących) CO2.
W celu zapewnienia wczesnego ostrzegania o jakiejkolwiek nieprawidłowości w
miejscu składowania.
Technologie monitoringu
Ciśnienie, temperatura, testy otworów
Sejsmika (3D), mikro-sejsmika, grawimetria, elektromagnetyka, potencjał własny, monitorowanie fizyczne
otworu
Produkcja wody i analiza gazów, skład płynów, bezpośrednie pomiary
Geodetyczne, pomiary wychyleń, interferometria satelitarna, sensory lotnicze
Mikrobiologiczne, zmiany roślinności
PRZYCZYNY PROWADZENIA
MONITORINGU


W celu zapewnienia zdrowia publicznego
i bezpieczeństwa środowiska lokalnego.
W celu weryfikacji wielkości składowanego
CO2.
Przedziały
(obszary)
Otwory
Zbiornik i system podziemny, otwory
Zbiornik i system powierzchniowy
System
powierzchniowy
System powierzchniowy
i podziemny
zaplanowanego miejsca składowania. Te
działania mogą być prowadzone przy wykorzystaniu metod geofizycznych/otworowych,
zarówno podczas fazy zatłaczania, jak i później.
Na powierzchni, monitoring emanacji gazów glebowych powinien skupić się na
wszystkich otworach oraz znanych strefach
uskoków/spękań. W celu odróżnienia natural-
nej emanacji gazów ziemnych od wycieków
(ucieczki) CO2, formacje zbiornikowe CO2
muszą być rozpoznane a priori przed rozpoczęciem składowania. Naturalne emanacje
CO2 zmieniają się wraz z roślinnością, sezonami i pogodą. Również dynamika płynów i
geochemia powierzchni powinna być, obok
wód gruntowych, monitorowana regularnie.
CZY TECHNOLOGIA CCS BYŁA
STOSOWANA Z SUKCESEM?
Przez wiele lat, praktyczne doświadczenia
zatłaczania CO2 w formacje geologiczne
zostały zdobyte podczas produkcji gazu
ziemnego. Wiele naturalnych złóż gazu zawiera domieszkę CO2, która obniża wartość
paliwa i musi ulec odseparowaniu przed
sprzedażą. Na Norweskim złożu gazu Sleipner, od 1996 roku mniej więcej 1 milion ton
CO2 jest wtłaczany rocznie do formacji Utsira,
powyżej poziomu gazonośnego. Aktualnie w
In-Salah w Algierii, CO2 jest zatłaczane z
powrotem do zbiornika przy wykorzystaniu od
dwóch do trzech otworów, zwiększając poziom produkcji użytkowego gazu ziemnego.
Niemcy są największym operatorem podziemnych magazynów gazu w Unii Europejskiej i czwartym na świecie po USA, Rosji i
Ukrainie. Gaz naturalny jest magazynowany
podziemnie od wielu lat w celu uniknięcia
niedoborów dostaw oraz dostosowania się do
sezonowych zmian zapotrzebowania. Obecne
miejsca magazynowania gazów naturalnych
mogą być podzielone na dwie podkategorie:
kawerny (sztuczne "pieczary" w skałach
solnych) i zbiorniki porowe (skały naturalnie
porowate). Magazynowanie gazu w zbiornikach porowych, jest analogiczne do przypadku sekwestracji CO2, i z sukcesem stosowane
od dekad. Również transport CO2 będzie
odbywać się przede wszystkim tą samą drogą
jak gazu ziemnego (rurociągi).
Wykonano w ramach prac konsorcjum (PIG-PIB lider, AGH, GIG, INiG, IGSMiE PAN i PBG)
realizującego Krajowy Program "Rozpoznanie formacji
i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania
CO2 wraz z ich programem monitorowania", na
zlecenie Ministerstwa Środowiska, finansowany ze
środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i
Gospodarki Wodnej
Opracowano na podstawie informacji:
CO2Net, BGR, Global CCS Institute.
Redakcja: Joanna Martyka
Korekta: Adam Wójcicki